Гидродинамические характеристики лесосплавных плоских сплоточных единиц

На правах рукописи

Мурашова Ольга Валерьевна

ГИДРОДИНАМИЧЕСКИЕ ХАРАКТЕРИСТИКИ ЛЕСОСПЛАВНЫХ ПЛОСКИХ СПЛОТОЧНЫХ ЕДИНИЦ

Специальность 05.21.01 – Технология и машины лесозаготовок и

лесного хозяйства

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени

кандидата технических наук

Архангельск – 2007

Работа выполнена в Архангельском государственном техническом университете.

Научные руководители:	доктор технических наук, профессор А.А.Митрофанов
	кандидат технических наук, доцент Г.Я.Суров
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Э.М.Гусейнов кандидат технических наук, доцент В.М.Дербин
Ведущая организация:	ОАО «Двиносплав» г. Архангельск

Защита диссертации состоится «21» марта 2007г. в 1000 часов на заседании диссертационного совета Д 212.008.01 при Архангельском государственном техническом университете (163002, г.Архангельск, наб. Северной Двины, д.17, ауд.1228).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Архангельского государственного технического университета.

Автореферат разослан «16» февраля 2007г.

Ученый секретарь

диссертационного совета,

кандидат технических наук, доцент А.Е.Земцовский

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Исторически сложилось, что многие десятилетия лесосплавные работы в стране были важнейшей фазой лесопромышленного производства. Развитию лесосплава способствовали большие расстояния перевозки древесины, дешевизна этого способа транспортировки и наличие развитой речной сети. С учетом этого, перерабатывающие предприятия лесопромышленного комплекса до настоящего времени, практически повсеместно, размещены в устьях рек и спроектированы на прием древесины с воды.

В настоящее время запрещен молевой лесосплав. Вследствие этого запрета прекратился лесосплав по малым и средним рекам. Предприятия, примыкающие к этим рекам, лишились транспортных путей. Почти полностью прекратились мелиоративные работы. Навигационной сплотки древесины не стало.

Выходом из создавшейся ситуации является увеличение и рационализация плотовых и судовых перевозок по магистральным рекам, и разработка новых технологий лесосплава по малым и средним рекам. Проблемами развития лесосплава в настоящее время активно занимаются такие ученые, как В.И.Патякин, А.А.Камусин, В.П.Корпачев, А.Н.Минаев, А.А.Митрофанов, К.Б.Соколов, М.М.Овчинников, В.Я.Харитонов и другие. Одним из направлений новых технологий является сплав лесоматериалов на базе плоских сплоточных единиц (ПСЕ) конструкции Архангельского государственного технического университета (АГТУ), хорошо зарекомендовавших себя на реках Севера.

В настоящее время по данной технологии осуществляется плотовой лесосплав по малым и средним рекам, идет разработка технического обеспечения навигационной сплотки. Диссертация посвящена вопросу исследования гидродинамических характеристик ПСЕ – гидродинамического сопротивления и его составляющих.

Цель работы – исследование гидродинамических характеристик лесосплавных плоских сплоточных единиц конструкции АГТУ на основе анализа физической природы их взаимодействия с речным потоком для совершенствования технологий и технического обеспечения лесосплава.

Задачи исследований

1. Теоретически обосновать выбор аналитических зависимостей гидродинамических характеристик ПСЕ при относительном равномерном прямолинейном движении в водном потоке;

2. Разработать методику экспериментальных исследований гидродинамических характеристик ПСЕ на моделях и в натурных условиях при относительном равномерном прямолинейном движении в водном потоке;

3. Разработать методику исследования процесса взаимодействия ПСЕ с речным потоком, основанную на математических методах планирования, и анализа многофакторного эксперимента;

4. Выполнить научное обоснование и разработать математические модели процесса взаимодействия ПСЕ с речным потоком;

5. Оценить достоверность результатов исследования.

Объект исследования. Объектами исследования являлись ПСЕ и процессы их взаимодействия с водным потоком при относительном прямолинейном равномерном движении.

Методы исследования. Исследования базировались на научных положениях гидромеханики, теории пограничного слоя жидкости, теорий подобия и вероятности. При планировании и проведении экспериментальных исследований применялись методы математического планирования экспериментов, математического и физического моделирования, математической статистики. Использовались цифровая фото- и видеоаппаратура, компьютерные средства обработки информации. Эксперименты выполнены на моделях, изготовленных в соответствии с выбранными масштабами и критериями моделирования рассматриваемых физических явлений. Результаты подтверждены исследованиями в натурных условиях.

Научная новизна диссертационной работы заключается в следующем:

- впервые выполнено научное обоснование процесса взаимодействия новых конструкций ПСЕ с водной средой и разработаны методы расчета сил сопротивления прямолинейному движению ПСЕ в речном потоке;

- разработаны математические модели процесса взаимодействия ПСЕ с речным потоком и проанализировано количественное и качественное влияние факторов на гидродинамическое сопротивление движению ПСЕ;

- разработана методика экспериментальных исследований гидродинамических характеристик ПСЕ на моделях и в натурных условиях при равномерном прямолинейном движении в водном потоке.

Значимость для теории и практики заключается в применении результатов теоретических и экспериментальных исследований при разработке технологии переместительных операций ПСЕ на воде, их транспортировке по магистральным путям сплава, и технического обеспечения водного транспорта леса в современных условиях.

Разработанные и апробированные на моделях и в натурных условиях методики исследования процессов взаимодействия ПСЕ с водным потоком применимы для исследования гидродинамических характеристик других конструкций лесосплавных единиц из ПСЕ (линеек, секций, плотов).

Научные положения, выносимые на защиту:

- методы расчета сил сопротивления воды равномерному прямолинейному движению ПСЕ в речном потоке, основанные на физической природе гидродинамических характеристик ПСЕ, методики и результаты экспериментальных исследований гидродинамических характеристик ПСЕ на моделях и в натурных условиях;

- общая регрессионная математическая модель процесса взаимодействия ПСЕ с речным потоком и её многофакторный анализ.

Обоснованность и достоверность результатов исследования подтверждается адекватностью полученных математических зависимостей для моделей и ПСЕ в натурных условиях, результатами статистической обработки данных.

Реализация результатов исследования. Основные результаты работы включены в научные отчеты по грантам Министерства образования и науки РФ: №ТОО-11.2-2320 за 2001 – 2002гг; № ТО2-11.2-1183 за 2003 – 2004гг. «Научное обоснование и разработка новых экологически защищённых технологий водного транспорта леса взамен молевого сплава» и по контракту ранее существовавшего Министерства промышленности и науки 13.802.-11 от 06.02.2003г. «Разработка технологии и комплекта оборудования для экологически безопасного плотового сплава с верховьев малых и средних рек».

Апробация работы. Основные положения диссертации докладывались и обсуждались на ежегодных научно-технических конференциях АГТУ (2001-2005гг.); на международном экологическом форуме стран Баренц-региона (г.Архангельск, 2001г); на Всероссийских научно-технических конференциях «Проблемы лесного комплекса России в переходный период развития экономики» (г.Вологда, 2003-2004гг.); на общероссийской научно-технической конференции «Вузовская наука – региону» (г.Вологда, 2003г), на Международной научно-технической конференции, посвященной 75-летию АЛТИ-АГТУ (г.Архангельск, 2005г).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 8 работ, в т.ч. одна по списку изданий ВАК.

Объем и структура работы. Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения, приложений, общим объемом 158 страниц, содержит 88 иллюстраций, 15 таблиц и список литературы, включающий 72 наименования.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении рассмотрены проблемы повышения объемов лесосплава по малым, средним и магистральным рекам. Доказана актуальность темы диссертационных исследований, сформулированы основные положения теоретических и экспериментальных исследований, выносимые на защиту, отмечены значимость результатов исследования для теории и практики.

В первой главе рассмотрена перспективность водного транспорта леса как способа поставки лесоматериалов потребителю, отмечена его экологическая допустимость и экономическая выгода.

В последние годы, после общего спада, в ЛПК наметился заметный рост объемов производств. Однако, он не вызвал существенного увеличения объемов древесины, поставляемой потребителю лесосплавом. В настоящее время одной из наиболее реальных технологий на пути восстановления и развития водного транспорта леса по транзитным, средним и малым рекам является освоенная буксировка лесоматериалов в плотах из ПСЕ.

Для выполнения технологических расчётов операций, производимых со сплоточными единицами на воде, а также для конструкторских разработок новой техники необходимы исследования гидродинамических характеристик плоских сплоточных единиц.

Во второй главе приведено теоретическое обоснование выбора математических зависимостей для определения гидродинамических характеристик плоских сплоточных единиц конструкции АГТУ.

Начало разработке теоретических методов исследования сопротивления движению тел положил Исаак Ньютон. Далее весомый вклад в развитие данного направления гидродинамики внесли такие ученые как Эйлер, Лагранж, Коши, Пуассон, Кирхгоф, Рэнкин, Навье, Пуассон, Стокс, И.С.Громеко, Н.П.Петров, Д.И.Менделеев и др.

В современной гидродинамике аналитическое выражение полного сопротивления воды движению тела, отвечающее принципам гидродинамического подобия имеет вид:

,

(1)

где - общий безразмерный коэффициент сопротивления движению;

- плотность воды;

- скорость движения;

- характерная площадь.

В данной формуле безразмерный коэффициент сопротивления воды движению тела является сложной функцией, одновременно зависящей как от физических свойств жидкости, так и от формы, размеров тела, т.е. является функцией от чисел Рейнольдса (Re) и Фруда (Fr).

Основные составляющие сопротивления воды

Силу сопротивления воды разделяют на три части: первая часть носит название волнового сопротивления, вторая - сопротивления трения и третья часть – сопротивления формы. Иногда последнюю называют также сопротивлением отрыва, водоворотным или вихревым сопротивлением.

Тогда формула полного сопротивления будет иметь вид:

,

(2)

где Rтр, Rф, Rв – соответственно сопротивления трения, формы, волновое.

При разделении полного сопротивления на составляющие основываемся на гипотезе о независимости отдельных составляющих сопротивления.

Сопротивление трения

Сопротивление трения представляет собой проекцию результирующей всех элементарных касательных сил, действующих вдоль смоченной поверхности тела на направление движения. Сопротивление трения является результатом действия сил вязкости воды, которые возникают в пограничном слое, примыкающем к поверхности корпуса тела.

Идеи, положившие начало теории пограничного слоя, можно найти в работах Рэнкина, Д.И.Менделеева и Н.Е.Жуковского, опубликованных ещё в XIX в. Математические основы этой теории разработаны Людвигом Прандтлем в 1904 г. В дальнейшем эту теорию продолжали развивать, кроме самого Прандтля, Карман, Блазиус, Польгаузен, Шлихтинг, Толмин, Дж.Тэйлор, Линь. Большой вклад в теорию пограничного слоя внесли отечественные ученые: Н.Е.Кочин, А.Н.Колмогоров, М.Д.Миллионщиков, Л.Г.Лойцянский, А.С.Монин, К.К.Феддяевский, А.П.Мельников, Г.Н.Абрамович и др.

Сопротивление трения определяется по формуле

,

(3)

где F – площадь смоченной поверхности.

В формуле (3) =f(Re) при постоянном Fr определяется, используя допущение, которое сводится к тому, что сопротивление трения ПСЕ определяем как сопротивление трения шероховатой пластины.

При изучении сопротивления трения ПСЕ были использованы результаты исследований сопротивления монолитных шероховатых пластин, проведенных Прандтлем, Карманом и Шлихтингом.

При любых условиях на поверхности зависимость Прандтля, определяющая распределение скоростей в пограничном слое, имеет вид:

,

(4)

где - скорость, соответствующая удельному касательному сопротивлению (динамическая скорость), ;

y - текущая координата;

kS - высота выступов эквивалентной песочной шероховатости;

В - функция безразмерной шероховатости . Для режима с полным проявлением шероховатости В=8,5;

- кинематическая вязкость жидкости.

Для определения коэффициента сопротивления трения ПСЕ пользовались диаграммой Прандтля и Шлихтинга (рис.1). Штриховая кривая на диаграмме дает границу области с полным проявлением шероховатости.

Рис.1. Диаграмма Прандтля и Шлихтинга для шероховатых пластин

Для этой зоны зависимости коэффициентов сопротивления от относительной шероховатости могут быть представлены посредством интерполяционной формулы

.

(5)

Эта зависимость применима в области 102

Сопротивление формы

Сопротивление формы, иначе называемое вихревым сопротивлением, представляет часть проекции результирующей гидродинамического давления, возникающего вследствие перераспределения давления по смоченной поверхности тела. Сопротивление формы определяем по зависимости:

,

(6)

где – коэффициент сопротивления формы,

S – характерный мидель (площадь погруженной части поперечного сечения) тела.

Волновое сопротивление

Волновое сопротивление – это часть проекции результирующей нормальных давлений на направление движения тела, возникающая вследствие возникновения колебания частиц жидкости, которое приводит к перераспределению давлений: повышению давления в носовой и кормовой частях при одновременном понижении его в средней части тела.

Известно, что волновое сопротивление для плохообтекаемых тел начинает проявляться в общем балансе сопротивлений при числах Fr=0,35 и более.

Поскольку все технологические операции на воде с ПСЕ проводятся при достаточно малых скоростях, то и числа Fr будут малы. Поэтому влияние доли волнового сопротивления в общем объеме сопротивлений будет незначительно и его не учитывают.

В третьей главе приведены результаты экспериментальных исследований гидродинамических характеристик ПСЕ на моделях.

Исследованиями гидродинамического сопротивления лесотранспортных единиц и пучковых плотов в разное время занимались В.И.Патякин, А.А.Камусин, С.Х.Будыка А.А.Гонник, В.П.Корпачев, М.Г.Красник, А.Н.Минаев, А.А.Митрофанов, М.М.Овчинников, С.Ф.Рапинчук, К.Б.Соколов, В.Я.Харитонов, Г.М.Черкасов, К.А.Чекалкин, и др.

Для получения достоверных результатов моделирование осуществлялось по числу Фруда в автомодельной области чисел Рейнольдса. Числа Фруда изменялись в диапазоне (0,062…0,203). Числа Рейнольдса - в диапазоне (1,8104…1,03105). Масштаб моделирования был принят 1:20.

Рис.2. Модель плоской сплоточной единицы в опытовом бассейне

Исследования проводились в опытовом бассейне АГТУ гравитационного типа размерами: ширина 3м, длина 11м, глубина 0,35м (рис.2). Для передачи тяговых усилий использовалась трехкратная полиспастная схема. Схема состояла из двух полиспастов, один из которых передавал на модель усилие тяги, второй – усилие торможения. При выборе кратности полиспастов исходили из размеров моделей и необходимого пути буксировки.

Блоки полиспастов были изготовлены из оргстекла и установлены на подшипниках. Диаметр одного блока 0,1м, толщина 0,004м. Движение моделей фиксировалось специальными датчиками, передающими сигнал на ПК.

Рис. 3. Блок устройства фиксации скорости движения

На блок трособлочной системы был установлен диск с прозрачными и непрозрачными участками (рис.3), при вращении которого прерывается световой поток от светодиода, излучающего в инфракрасной области спектра. Шаг дискретизации по перемещению моделей составлял 0,26 мм, а по времени 55 мс. Максимально возможная фиксируемая скорость для 133 МГц составляла 0,6 м/с.